CN109011211B - 一种四维单源γ刀焦点跟踪定位系统 - Google Patents

Abstract

一种四维单源γ刀焦点跟踪定位系统，包括坐标系统、三维双数字X射线透视系统、位置跟踪系统和数据计算中心，坐标系统、三维双数字X射线透视系统分别与数据计算中心相连，坐标系统、三维双数字X射线透视系统、数据计算中心均与位置跟踪系统连接，位置跟踪系统包括位置传感器、位移焦点跟踪数学模型系统、传感器位移数据采集分析系统、中央控制器和放射治疗计划系统；本发明的定位方法，先建立位移焦点跟踪数学模型，利用位置传感器关联数据智能跟踪焦点，无延时误差，跟踪更精准、微米级，放射治疗过程中不使用跟踪X射线，避免了辐射危害和干扰激光定位，实用性、适用性、高效性和安全性更强，适用于其他的立体定向放射治疗系统。

Description

一种四维单源γ刀焦点跟踪定位系统

技术领域

本发明属于放射治疗技术领域，更具体地说，涉及一种四维单源γ刀焦点跟踪定位系统。

背景技术

众所周知，四维单源γ刀是一种基于智能三维五轴机器人臂激光定位非等中心适形调强跟踪聚焦照射单个γ源放射外科治疗系统。四维单源γ刀的位移焦点跟踪采用的是三维双数字X射线影像、体表位置传感器、位移焦点跟踪数学模型系统等组成的。位移焦点跟踪数学模型系统是一种全新的激光定位非等中心适形调强跟踪聚焦照射放射外科治疗系统的焦点跟踪系统，具有连续即时修正入射束方位精准对焦的反应能力。通过跟踪数学模型、位置传感器的数据、静态放射治疗计划，数据运算中心和中央控制系统自动纠正焦点位置和入射束方位的偏差，确保聚焦的微米级精度。

位移焦点跟踪数学模型包括但不限于坐标系统，三维双数字X射线影像系统，数字组合式MEMS位置传感器，坐标自动融合软件系统，影像数据处理软件系统，建立位移焦点跟踪数学模型软件系统，数据中心和计算中心，影像工作站，放疗技师操控台，协同治疗床，患者固定绑缚系统等。

现有γ刀焦点追踪采用X射线影像下植入金标追踪。用于追踪的X射线影像或连续透视照射、或连续脉冲点片，在长时间的放射治疗过程中患者又受到了大剂量追踪X射线的辐射危害。位移焦点跟踪数学模型系统只在建立数学模型时使用三维双数字X射线影像系统对患者点片2次，透视3个平静呼吸、3个深呼吸、3次咳嗽的时间，不足1分钟，完全避免了利用X射线影像追踪所致辐射危害，而且避免了追踪X射线对焦点跟踪的严重干扰。

发明内容

有鉴于此，为解决上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种智能的、数字化的、精准的、无害无痛的四维单源γ刀焦点跟踪定位系统，先建立位移焦点跟踪数学模型，利用位置传感器关联数据智能跟踪焦点，无延时误差，跟踪更精准、微米级，放射中不使用跟踪X射线，避免了辐射危害和干扰激光定位，实用性、适用性、高效性和安全性更强，适用于其他的立体定向放射治疗系统。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种四维单源γ刀焦点跟踪定位系统，包括坐标系统、三维双数字X射线透视系统、位置跟踪系统和数据计算中心，所述坐标系统、三维双数字X射线透视系统分别与数据计算中心相连，所述坐标系统、三维双数字X射线透视系统、数据计算中心均与位置跟踪系统连接，所述位置跟踪系统包括位置传感器、位移焦点跟踪数学模型系统、传感器位移数据采集分析系统、中央控制器和放射治疗计划系统，所述位置传感器、位移焦点跟踪数学模型系统、传感器位移数据采集分析系统、放射治疗计划系统均与中央控制器连接，位置传感器、位移焦点跟踪数学模型系统、传感器位移数据采集分析系统均与放射治疗计划系统连接；所述位置传感器为固定于胸部或腹部前正中线的体表高性能组合式MEMS位置传感器，位置传感器包括陀螺仪、惯性传感器、速度传感器、角速度传感器、角度传感器、距离传感器和力觉传感器，位置传感器分别与坐标系统的原子钟同步授时系统、三维激光定位坐标系统、位移焦点跟踪三维数字坐标系统连接；

所述坐标系统的组件分设在位置跟踪系统、三维双数字X射线透视系统和智能投照系统中，坐标系统包括原子钟同步授时系统、骨定位坐标系统、三维激光定位坐标系统、位移焦点跟踪三维数字坐标系统、靶特征坐标系统、靶特征坐标与定位坐标自动融合系统、机器人激光聚焦投照坐标系统，原子钟同步授时系统分别与骨定位坐标系统、三维激光定位坐标系统、位移焦点跟踪三维数字坐标系统、靶特征坐标系统、靶特征坐标与定位坐标自动融合系统、机器人激光聚焦投照坐标系统、位置传感器、传感器位移数据采集分析系统、数字影像接受器、影像工作站相连；

所述三维双数字X射线透视系统包括高压发生器、C形臂框架、两组透视机构、影像工作站、患者固定绑缚系统、自动协同治疗床和放疗技师操控台，所述高压发生器、C形臂框架、两组透视机构、影像工作站、患者固定绑缚系统、自动协同治疗床均与放疗技师操控台连接，两组所述的透视机构均安装在C形臂框架上且均与高压发生器相连，两组所述的透视机构相互垂直设置，自动协同治疗床位于两组透视机构构成的环形内腔的中心位置。

进一步的，所述坐标系统、三维双数字X射线透视系统、数据计算中心分别与中央控制器连接，所述坐标系统、三维双数字X射线透视系统、数据计算中心分别与放射治疗计划系统连接。

进一步的，单组所述的透视机构包括相对设置且相连的X射线源组装体和数字影像接受器，单个所述的X射线源组装体包括X射线管球组装体、可变光野遮光器，可变光野遮光器的最大光野边界在所述数字影像接受器边沿内，所述X射线管球组装体的最高管电压为150kV，透视管电流在0.1mA-100mA之间连续可调。

进一步的，所述高压发生器用于为透视机构的X射线源组装体提供产生X射线的管电压，所述高压发生器的管电压的范围为28-150kV连续可调，其调节间隔为1kV。

进一步的，所述影像工作站包括影像数据处理系统、计算机系统、影像显示系统和信息输入系统，影像数据处理系统、影像显示系统、信息输入系统分别与计算机系统连接，影像显示系统、信息输入系统分别与影像数据处理系统连接，所述影像工作站用于采集、储存、分析、影像数据中靶、焦点、灵敏细胞、组织、器官的性质、形态、位置的典型特征数据并加以刻画标识，用于动态影像特征数据的抓捕、跟踪，位移焦点特征数据的刻画标识。

进一步的，所述自动协同治疗床包括可升降的底座支架、可前后左右平移的床板集成体，床板集成体由低原子序数、低密度、γ射线吸收率反射率低的材料制成。

进一步的，所述患者固定绑缚系统与自动协同治疗床相连且相配合使用。

进一步的，所述骨定位坐标系统定位在患者体表，所述三维激光定位坐标系统设置在自动协同治疗床周围且分别与自动协同治疗床、三维双数字X射线透视系统、智能投照系统连接。

进一步的，所述数据计算中心用于获取、储存、运算各个系统的数据，分析并四维刻画组织、器官、肿瘤或病灶的形态、性质、位置特征并分类标记投照区块，智能图像分析、图像识别、图像诊断、自学习能力。

进一步的，该定位系统的工作方法，包括以下步骤：

（1）、按照患者自身的骨定位坐标系统，利用患者固定绑缚系统把患者固定绑缚在自动协同治疗床上且位于三维激光定位坐标系统中，特定骨坐标点定位到三维激光定位坐标系统的原点附近；

（2）、设置好患者身体上的位置传感器，将位置传感器与传感器位移数据采集分析系统连接；

（3）、对患者首次点片，时间同步的两个数字影像接受器将接收到的数据融合为三维影像，刻画标识出三维坐标及其坐标原点即焦点，比对已有且被分析刻画标识的影像典型特征数据，自动协同治疗床把靶的焦点移动到基准定位坐标的原点，完成靶特征坐标系统的原点即治疗的焦点与骨定位坐标系统、三维激光定位坐标系统的原点的自动融合；

（4）、再次点片，采集时间同步的位置传感器坐标数据和焦点坐标数据，数据关联，完成四维坐标系统融合；

（5）、三维双数字X射线透视系统连续透视，时间覆盖平静呼吸三次、深呼吸三次、咳嗽三次，时间同步的两个数字影像接受器的动态影像数据被采集、传输、储存，拟合三维影像，分析、刻画、标识焦点，抓取焦点，提取时间同步的焦点在坐标中位移的四维典型特征数据和位置传感器四维典型特征数据，关联数据，建立随呼吸或心跳位移的位移焦点跟踪数学模型；

（6）、数据计算中心、放射治疗计划系统综合高级放疗医师处方、患者影像特征数据、靶和焦点特征数据和位移焦点跟踪数学模型等智能制定三维空间叠加时间维度的四维激光定位非等中心适形调强跟踪聚焦照射放射治疗计划。

本发明的有益效果是：

一种四维单源γ刀焦点跟踪定位系统，先建立位移焦点跟踪数学模型，利用位置传感器关联数据智能跟踪焦点，无延时误差，跟踪更精准、微米级，放射中不使用跟踪X射线，避免了辐射危害和干扰激光定位，实用性、适用性、高效性和安全性更强，适用于其他的立体定向放射治疗系统。具体表现在以下方面：

1、位移焦点跟踪数学模型创新突出，逻辑性强、精准完善，位移焦点跟踪数学模型的焦点跟踪是连续的、微米级高精度的、无痛无害的；

2、位置传感器是体表高性能组合式MEMS位置传感器，位置传感器与位移焦点跟踪三维数字坐标系统相互配合、逻辑紧密，其数据无间断的传输到数据计算中心，在位移焦点跟踪数学模型的指引下可以进行预测控、前馈控、自适应等特殊控制算法，达到精确到微米级的位移焦点跟踪的聚焦控制；

3、不植入金标，无金标植入痛苦、无不适和植入风险；

4、不使用框架钢钉固定，无钢钉固定痛苦；

5、不在放射治疗过程中使用X射线，无定位跟踪X射线辐射危害，无X射线对激光定位的干扰。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明系统的原理框图；

图2为本发明系统的结构示意图；

图中标记：1、坐标系统，101、原子钟同步授时系统，102、骨定位坐标系统，103、三维激光定位坐标系统，104、位移焦点跟踪三维数字坐标系统，2、三维双数字X射线透视系统，201、高压发生器，202、C形臂框架，203、透视机构，2031、X射线源组装体，2032、数字影像接受器，204、影像工作站，205、患者固定绑缚系统，206、自动协同治疗床，2061、底座支架，2062、床板集成体，207、放疗技师操控台，3、数据计算中心，4、位置跟踪系统，401、位置传感器，402、位移焦点跟踪数学模型系统，403、传感器位移数据采集分析系统，404、中央控制器，405、放射治疗计划系统。

具体实施方式

下面给出具体实施例，对本发明的技术方案作进一步清楚、完整、详细地说明。本实施例是以本发明技术方案为前提的最佳实施例，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1-图2所示，一种四维单源γ刀焦点跟踪定位系统，包括坐标系统1、三维双数字X射线透视系统2、位置跟踪系统4和数据计算中心3，所述坐标系统1、三维双数字X射线透视系统2分别与数据计算中心3相连，所述坐标系统1、三维双数字X射线透视系统2、数据计算中心3均与位置跟踪系统4连接，所述位置跟踪系统4包括位置传感器401、位移焦点跟踪数学模型系统402、传感器位移数据采集分析系统403、中央控制器404和放射治疗计划系统405，所述位置传感器401、位移焦点跟踪数学模型系统402、传感器位移数据采集分析系统403、放射治疗计划系统405均与中央控制器404连接，位置传感器401、位移焦点跟踪数学模型系统402、传感器位移数据采集分析系统403均与放射治疗计划系统405连接；所述位置传感器401为固定于胸部或腹部前正中线的体表高性能组合式MEMS位置传感器，位置传感器401包括陀螺仪、惯性传感器、速度传感器、角速度传感器、角度传感器、距离传感器和力觉传感器，位置传感器401分别与坐标系统1的原子钟同步授时系统101、三维激光定位坐标系统103、位移焦点跟踪三维数字坐标系统104连接；

所述坐标系统1的组件分设在位置跟踪系统4、三维双数字X射线透视系统2和智能投照系统中，坐标系统1包括原子钟同步授时系统101、骨定位坐标系统102、三维激光定位坐标系统103、位移焦点跟踪三维数字坐标系统104、靶特征坐标系统、靶特征坐标与定位坐标自动融合系统、机器人激光聚焦投照坐标系统，原子钟同步授时系统101分别与骨定位坐标系统102、三维激光定位坐标系统103、位移焦点跟踪三维数字坐标系统104、靶特征坐标系统、靶特征坐标与定位坐标自动融合系统、机器人激光聚焦投照坐标系统、位置传感器401、传感器位移数据采集分析系统403、数字影像接受器2032、影像工作站204相连；

所述三维双数字X射线透视系统2包括高压发生器201、C形臂框架202、两组透视机构203、影像工作站204、患者固定绑缚系统205、自动协同治疗床206和放疗技师操控台207，所述高压发生器201、C形臂框架202、两组透视机构203、影像工作站204、患者固定绑缚系统205、自动协同治疗床206均与放疗技师操控台207连接，两组所述的透视机构203均安装在C形臂框架202上且均与高压发生器201相连，两组所述的透视机构203相互垂直设置，自动协同治疗床206位于两组透视机构203构成的环形内腔的中心位置。

进一步的，所述坐标系统1、三维双数字X射线透视系统2、数据计算中心3分别与中央控制器404连接，所述坐标系统1、三维双数字X射线透视系统2、数据计算中心3分别与放射治疗计划系统405连接。

进一步的，原子钟同步授时系统101包括原子钟和同步授时器，实现四维单源γ刀整体系统精准控时、精准跟踪焦点、建立位移焦点跟踪数学模型、三维双数字X射线透视系统2的影像融合、高精度组合式MEMS的位置传感器401的数据即时调控即时精准聚焦。并且，各分系统时间同步是四维单源γ刀高度智能的重要内容。

进一步的，单组所述的透视机构203包括相对设置且相连的X射线源组装体2031和数字影像接受器2032，单个所述的X射线源组装体2031包括X射线管球组装体、可变光野遮光器，可变光野遮光器的最大光野边界在所述数字影像接受器2032边沿内，所述X射线管球组装体的最高管电压为150kV，透视管电流在0.1mA-100mA之间连续可调。

进一步的，所述高压发生器201用于为透视机构203的X射线源组装体2031提供产生X射线的管电压，所述高压发生器201的管电压的范围为28-150kV连续可调，其调节间隔为1kV。

进一步的，所述影像工作站204包括影像数据处理系统、计算机系统、影像显示系统和信息输入系统，影像数据处理系统、影像显示系统、信息输入系统分别与计算机系统连接，影像显示系统、信息输入系统分别与影像数据处理系统连接，所述影像工作站204用于采集、储存、分析、影像数据中靶、焦点、灵敏细胞、组织、器官的性质、形态、位置的典型特征数据并加以刻画标识，用于动态影像特征数据的抓捕、跟踪，位移焦点特征数据的刻画标识。

进一步的，所述自动协同治疗床206包括可升降的底座支架2061、可前后左右平移的床板集成体2062，床板集成体2062由低原子序数、低密度、γ射线吸收率反射率低的材料制成。自动协同治疗床206用于多靶治疗时能自动移靶对焦。

进一步的，所述患者固定绑缚系统205与自动协同治疗床206相连且相配合使用。

进一步的，所述骨定位坐标系统102定位在患者体表，所述三维激光定位坐标系统103设置在自动协同治疗床206周围，即自动协同治疗床206上、下、前、后、左、右位置，且分别与自动协同治疗床206、三维双数字X射线透视系统2、智能投照系统连接。

进一步的，本发明的一种四维单源γ刀焦点跟踪定位系统，还包括智能投照系统，智能投照系统分别与坐标系统1、位置跟踪系统4、中央控制器404、放射治疗计划系统405、自动协同治疗床206、放疗技师操控台207、数据计算中心3相连。

进一步的，所述数据计算中心3用于获取、储存、运算各个系统的数据，分析并四维刻画组织、器官、肿瘤或病灶的形态、性质、位置特征并分类标记投照区块，智能图像分析、图像识别、图像诊断、自学习能力。

进一步的，C形臂框架202也可以为其他形状的框架，比如方形，但是优选的为C形。

本发明的一种四维单源γ刀焦点跟踪定位系统的工作方法，包括以下步骤：

（1）、按照患者自身的骨定位坐标系统102，利用患者固定绑缚系统205把患者固定绑缚在自动协同治疗床206上且位于三维激光定位坐标系统103中，特定骨坐标点定位到三维激光定位坐标系统103的原点附近；

（2）、设置好患者身体上的位置传感器401，将位置传感器401与传感器位移数据采集分析系统403连接；

（3）、对患者首次点片，时间同步的两个数字影像接受器2032将接收到的数据融合为三维影像，刻画标识出三维坐标及其坐标原点即焦点，比对已有且被分析刻画标识的影像典型特征数据，自动协同治疗床206把靶的焦点移动到基准定位坐标的原点，完成靶特征坐标系统的原点即治疗的焦点与骨定位坐标系统102、三维激光定位坐标系统103的原点的自动融合；

（4）、再次点片，采集时间同步的位置传感器401坐标数据和焦点坐标数据，数据关联，完成四维坐标系统1融合；

（5）、三维双数字X射线透视系统2连续透视，时间覆盖平静呼吸三次、深呼吸三次、咳嗽三次，时间同步的两个数字影像接受器2032的动态影像数据被采集、传输、储存，拟合三维影像，分析、刻画、标识焦点，抓取焦点，提取时间同步的焦点在坐标中位移的四维典型特征数据和位置传感器401四维典型特征数据，关联数据，建立随呼吸或心跳位移的位移焦点跟踪数学模型；

（6）、数据计算中心3、放射治疗计划系统405综合高级放疗医师处方、患者影像特征数据、靶和焦点特征数据和位移焦点跟踪数学模型等智能制定三维空间叠加时间维度的四维激光定位非等中心适形调强跟踪聚焦照射放射治疗计划。

进一步的，靶特征坐标与定位坐标自动融合系统把在患者身体的特征性骨性定位坐标标记，即坐骨结节连线定位到自动协同治疗床206的床板中线的中点标记处附近，即三维激光定位坐标系统103的原点附近，用患者固定绑缚系统205固定患者身体在自动协同治疗床206上，设置好体表高性能数字组合式MEMS的位置传感器401和位移焦点跟踪三维数字坐标系统104，调整自动协同治疗床206，使得靶定位到三维激光定位坐标系统103的原点附近；三维双数字X射线透视系统2纵向的和水平的焦点，与影像采集板中点连线的交点同样定位到位移焦点跟踪三维数字坐标系统104的原点附近位置，放疗技师完成人工摆位，离开机房，关闭机房门，在放疗技师操控台207操作三维双数字X射线透视系统2，让患者憋气，首次点片；

数据计算中心3支持三维双数字X射线透视系统2同步采集两个数字影像接受器2032数据，拟合三维影像，分析、刻画靶的靶特征坐标系统及其坐标原点即焦点，抓取点片中靶的典型形态和坐标数据，与系统中已有的数据比对，自动调整床位，把系统刻画的靶的坐标原点移动到设备基准定位坐标系的原点，完成靶特征坐标系统与骨定位坐标系统、三维激光定位坐标系统的融合；

令患者憋气，再次点片；数据计算中心3同步采集体表高性能组合式MEMS的位置传感器401数据和焦点坐标位移数据，关联靶特征坐标系统、骨定位坐标系统102、三维激光定位坐标系统103、位置传感器401和位移焦点跟踪三维数字坐标系统104的坐标数据，即关联设备基准定位坐标数据、加工定位坐标数据、工件坐标数据、跟踪坐标数据，融合关联，完成四维坐标系统1融合。

进一步的，放疗技师操控台207是放疗技师工作站，四维单源γ刀、位移焦点跟踪三维数字坐标系统104，控制三维双数字X射线透视系统2，实现所有坐标系统的融合，两个技师密匙解锁下达执行经过高级放疗医师授权的激光定位非等中心适形调强跟踪聚焦照射放射治疗计划。

实施例1

如图1-图2所示，一种四维单源γ刀焦点跟踪定位系统，包括坐标系统1、三维双数字X射线透视系统2、位置跟踪系统4和数据计算中心3，所述坐标系统1、三维双数字X射线透视系统2分别与数据计算中心3相连，所述坐标系统1、三维双数字X射线透视系统2、数据计算中心3均与位置跟踪系统4连接，所述位置跟踪系统4包括位置传感器401、位移焦点跟踪数学模型系统402、传感器位移数据采集分析系统403、中央控制器404和放射治疗计划系统405，所述位置传感器401、位移焦点跟踪数学模型系统402、传感器位移数据采集分析系统403、放射治疗计划系统405均与中央控制器404连接，位置传感器401、位移焦点跟踪数学模型系统402、传感器位移数据采集分析系统403均与放射治疗计划系统405连接。

进一步的，所述坐标系统1、三维双数字X射线透视系统2、数据计算中心3分别与中央控制器404连接，所述坐标系统1、三维双数字X射线透视系统2、数据计算中心3分别与放射治疗计划系统405连接。

进一步的，所述位置传感器401为固定于胸部或腹部前正中线的体表高性能组合式MEMS位置传感器，位置传感器401包括陀螺仪、惯性传感器、速度传感器、角速度传感器、角度传感器、距离传感器和力觉传感器，位置传感器401分别与坐标系统1的原子钟同步授时系统101、三维激光定位坐标系统103、位移焦点跟踪三维数字坐标系统104连接。

进一步的，所述坐标系统1的组件分设在位置跟踪系统4、三维双数字X射线透视系统2和智能投照系统中，坐标系统1包括原子钟同步授时系统101、骨定位坐标系统102、三维激光定位坐标系统103、位移焦点跟踪三维数字坐标系统104、靶特征坐标系统、靶特征坐标与定位坐标自动融合系统、机器人激光聚焦投照坐标系统，原子钟同步授时系统101分别与骨定位坐标系统102、三维激光定位坐标系统103、位移焦点跟踪三维数字坐标系统104、靶特征坐标系统、靶特征坐标与定位坐标自动融合系统、机器人激光聚焦投照坐标系统、位置传感器401、传感器位移数据采集分析系统403、数字影像接受器2032、影像工作站204相连。本实施例中，三维五轴激光定位聚焦投照机器人系统安装架底座固定在自动协同治疗床206的头端，患者在床上取仰卧位固定，医者站在患者的右手边床侧，那么，定位坐标用右手直角坐标系来确定：水平床板纵轴患者的头向为Y坐标正向，水平床板横向患者的右手向左手的方向为X轴正向，垂直于水平床板向上的方向为Z轴的正向。坐标原点即基准点设定为：床板纵轴中心线床面的上方100mm、水平地面上方1500mm、床的头端1100mm处，床板上印刻标记，患者定位只需把左右坐骨结节连线对准在床板上的标记处。

进一步的，原子钟同步授时系统101包括原子钟和同步授时器，实现四维单源γ刀整体系统精准控时、精准跟踪焦点、建立位移焦点跟踪数学模型、三维双数字X射线透视系统2的影像融合、高精度组合式MEMS的位置传感器401的数据即时调控即时精准聚焦。并且，各分系统时间同步是四维单源γ刀高度智能的重要内容。

进一步的，所述三维双数字X射线透视系统2包括高压发生器201、C形臂框架202、两组透视机构203、影像工作站204、患者固定绑缚系统205、自动协同治疗床206和放疗技师操控台207，所述高压发生器201、C形臂框架202、两组透视机构203、影像工作站204、患者固定绑缚系统205、自动协同治疗床206均与放疗技师操控台207连接，两组所述的透视机构203均安装在C形臂框架202上且均与高压发生器201相连，两组所述的透视机构203相互垂直设置，自动协同治疗床206位于两组透视机构203构成的环形内腔的中心位置。

进一步的，单组所述的透视机构203包括相对设置且相连的X射线源组装体2031和数字影像接受器2032，单个所述的X射线源组装体2031包括X射线管球组装体、可变光野遮光器，可变光野遮光器的最大光野边界在所述数字影像接受器2032边沿内，所述X射线管球组装体的最高管电压为150kV，透视管电流在0.1mA-100mA之间连续可调。

进一步的，所述高压发生器201用于为透视机构203的X射线源组装体2031提供产生X射线的管电压，所述高压发生器201的管电压的范围为28-150kV连续可调，其调节间隔为1kV。

进一步的，所述影像工作站204包括影像数据处理系统、计算机系统、影像显示系统和信息输入系统，影像数据处理系统、影像显示系统、信息输入系统分别与计算机系统连接，影像显示系统、信息输入系统分别与影像数据处理系统连接，所述影像工作站204用于采集、储存、分析、影像数据中靶、焦点、灵敏细胞、组织、器官的性质、形态、位置的典型特征数据并加以刻画标识，用于动态影像特征数据的抓捕、跟踪，位移焦点特征数据的刻画标识。

进一步的，所述自动协同治疗床206包括可升降的底座支架2061、可前后左右平移的床板集成体2062，床板集成体2062由低原子序数、低密度、γ射线吸收率反射率低的材料制成。自动协同治疗床206用于多靶治疗时能自动移靶对焦。

进一步的，所述患者固定绑缚系统205与自动协同治疗床206相连且相配合使用。

进一步的，所述骨定位坐标系统102定位在患者体表，所述三维激光定位坐标系统103设置在自动协同治疗床206周围，即自动协同治疗床206上、下、前、后、左、右位置，且分别与自动协同治疗床206、三维双数字X射线透视系统2、智能投照系统连接。

进一步的，本发明的一种四维单源γ刀焦点跟踪定位系统，还包括智能投照系统，智能投照系统分别与坐标系统1、位置跟踪系统4、中央控制器404、放射治疗计划系统405、自动协同治疗床206、放疗技师操控台207、数据计算中心3相连。

进一步的，所述数据计算中心3用于获取、储存、运算各个系统的数据，分析并四维刻画组织、器官、肿瘤或病灶的形态、性质、位置特征并分类标记投照区块，智能图像分析、图像识别、图像诊断、自学习能力。

进一步的，C形臂框架202也可以为其他形状的框架，比如方形，但是优选的为C形。

本发明的一种四维单源γ刀焦点跟踪定位系统的工作方法，其具体实施方法包括以下步骤：

（1）、设备工程师在放疗技师的配合下启动系统，检测焦点跟踪定位系统的性能，确保定位系统一切正常；

（2）、授权的高级放疗医师在四维单源γ刀的焦点跟踪定位系统内完整录入已经确诊的患者信息，完成预约；

（3）、确定靶和焦点，放疗处方，建立静态非等中心适形调强聚焦照射放射治疗计划并审定；

（4）、二位授权的放疗技师同时到场，接受患者、验证患者身份，确认机房环境状况、四维单源γ刀设备状况一切正常，开始下一步；

（5）、固定患者到坐标系统1：四维单源γ刀是使用基准坐标系统、骨定位坐标系统102、三维激光定位坐标系统103、位置传感器401、位移焦点跟踪三维数字坐标系统104、靶特征坐标系统、机器人激光聚焦投照坐标系统，坐标系统1融合实现患者定位、焦点定位、焦点位移跟踪、投照机器人跟踪焦点进行激光定位非等中心适形调强跟踪聚焦照射的放射外科治疗系统；

（5.1）、让患者平卧到自动协同治疗床206上；

（5.2）、注射镇静剂，剂量达到患者在整个治疗时间内处于睡眠状态，一边让患者熟悉机房环境，一边向患者介绍治疗过程不会疼痛、机器人臂要在身体周围移动、或远或近、或快或慢，设备很安全不会碰到身体、不要害怕、更不要挣扎移动身体；

（5.3）、把患者身体的特征性骨性定位坐标标记——坐骨结节连线定位到床板中线的中点标记处附近，即基准的三维激光定位坐标系统103的原点附近，用患者固定绑缚系统205固定绑缚患者身体在自动协同治疗床206上；

（6）、设置位移焦点跟踪三维数字坐标系统104：在患者前正中线的肿瘤位移关联度好的适当位置即肺癌时优选胸骨柄第4肋间水平或剑突与脐连线的中点，固定位置传感器401和位移焦点跟踪三维数字坐标系统104；

（7）、坐标系统1的融合：调整自动协同治疗床206，使靶定位到三维激光定位坐标系统103的原点附近；三维双数字X射线透视系统2纵向的和水平向的焦点，即影像接受器中点连线的交汇点自动定位到三维激光定位坐标系统103的原点上方10cm；放疗技师完成人工摆位，离开机房，关闭机房门，在放疗技师操控台207操作三维双数字X射线透视系统2，让患者憋气，首次点片；

数据计算中心3支持三维双数字X射线透视系统2同步采集两个数字影像接受器2032数据，拟合三维影像，分析、刻画靶的靶特征坐标系统及其坐标原点即焦点，抓取点片中靶的典型形态和坐标数据，与系统中已有的数据比对，自动调整床位，把系统刻画的靶的坐标原点移动到设备基准定位坐标系的原点，完成靶特征坐标系统与骨定位坐标系统、三维激光定位坐标系统的融合；

令患者憋气，再次点片；数据计算中心3同步采集体表高性能组合式MEMS的位置传感器401数据和焦点坐标位移数据，关联靶特征坐标系统、骨定位坐标系统102、三维激光定位坐标系统103、位置传感器401和位移焦点跟踪三维数字坐标系统104的坐标数据，即关联设备基准定位坐标数据、加工定位坐标数据、工件坐标数据、跟踪坐标数据，融合关联，完成整个坐标系统1融合；

（8）、建立位移焦点跟踪数学模型：放疗技师开启三维双数字X射线透视系统2，对靶及其周围区域连续透视检查，时间覆盖三次平静呼吸、三次深呼吸、三次咳嗽，影像数据进入数据计算中心3、影像工作站204、运动靶典型特征分析刻画系统、运动靶图像识别抓取系统，抓取靶特征坐标系统的原点，即治疗的焦点，在三维激光定位坐标系统103、机器人激光聚焦投照坐标系统中随呼吸或心跳位移的特征数据，获取体表高性能组合式MEMS的位置传感器401的三维数字的坐标系统1的数据，与焦点位移关联特征后，建立随呼吸或心跳位移靶跟踪的位移焦点跟踪数学模型。

实施例2

本发明的一种四维单源γ刀焦点跟踪定位系统的工作方法，其用于脊柱追踪的具体实施例如下：

包括以下步骤：

（1）、设备工程师在放疗技师的配合下启动系统，检测四维单源γ刀的焦点跟踪定位系统的性能，确保定位系统一切正常；

（2）、授权的高级放疗医师在四维单源γ刀的焦点跟踪定位系统内完整录入已经确诊的患者信息，完成预约；确定靶和焦点，放疗处方，建立静态非等中心适形调强聚焦照射放射治疗计划并审定；

（3）、二位授权的放疗技师同时到场，接受患者、验证患者身份，确认机房环境状况、四维单源γ刀设备状况一切正常，开始下一步；

（4）、固定患者到坐标系统1

（4.1）、让患者平卧到自动协同治疗床206上；

（4.2）、注射镇静剂，剂量达到患者在整个治疗时间内处于睡眠状态，一边让患者熟悉机房环境，一边向患者介绍治疗过程不会疼痛、机器人臂要在身体周围移动、或远或近、或快或慢，设备很安全不会碰到身体、不要害怕、更不要挣扎移动身体；

（4.3）、把患者身体的特征性骨性定位坐标标记——坐骨结节连线定位到床板中线的中点标记处附近，即基准的三维激光定位坐标系统103的原点附近，患者身体纵向正中线正对床中线，用患者固定绑缚系统205固定绑缚患者身体在自动协同治疗床206上；

（5）、设置位移焦点跟踪三维数字坐标系统104：在患者前正中线的肿瘤位移关联度好的适当位置即脊柱癌时优选胸骨柄第4肋间水平或剑突与脐连线的中点，固定位置传感器401和位移焦点跟踪三维数字坐标系统104；

（6）、坐标系统1的融合：调整自动协同治疗床206床旁开关，床板后退，三维双数字X射线透视系统2纵向的和水平向的焦点，即影像接受器中点连线的交汇点自动定位到三维激光定位坐标系统103的原点上方10cm；放疗技师完成人工摆位，离开机房，关闭机房门，在放疗技师操控台207操作三维双数字X射线透视系统2，让患者憋气，首次点片；

数据计算中心3支持三维双数字X射线透视系统2同步采集两个数字影像接受器2032数据，拟合三维影像，分析、刻画靶的靶特征坐标系统及其坐标原点即焦点，抓取点片中靶的典型形态和坐标数据，与系统中已有的数据比对，自动调整床位，把系统刻画的靶的坐标原点移动到设备基准定位坐标系的原点，完成靶特征坐标系统与骨定位坐标系统、三维激光定位坐标系统的融合；

令患者憋气，再次点片；数据计算中心3同步采集体表高性能组合式MEMS的位置传感器401数据和焦点坐标位移数据，关联靶特征坐标系统、骨定位坐标系统102、三维激光定位坐标系统103、位置传感器401和位移焦点跟踪三维数字坐标系统104的坐标数据，即关联设备基准定位坐标数据、加工定位坐标数据、工件坐标数据、跟踪坐标数据，融合关联，完成整个坐标系统1的融合；

（7）、建立位移焦点跟踪数学模型：放疗技师开启三维双数字X射线透视系统2，对靶及其周围区域连续透视检查，时间覆盖三次平静呼吸、三次深呼吸、三次咳嗽，影像数据进入数据计算中心3、影像工作站204、运动靶典型特征分析刻画系统、运动靶图像识别抓取系统，抓取靶特征坐标系统的原点，即治疗的焦点，在三维激光定位坐标系统103、机器人激光聚焦投照坐标系统中随呼吸或心跳位移的特征数据，获取体表高性能组合式MEMS的位置传感器401的三维数字的坐标系统1的数据，与焦点位移关联特征后，建立随呼吸或心跳位移靶跟踪的位移焦点跟踪数学模型。

综上所述，本发明的一种四维单源γ刀焦点跟踪定位系统，先建立位移焦点跟踪数学模型，利用位置传感器关联数据智能跟踪焦点，无延时误差，跟踪更精准、微米级，放射中不使用跟踪X射线，避免了辐射危害和干扰激光定位，实用性、适用性、高效性和安全性更强，适用于其他的立体定向放射治疗系统。

以上显示和描述了本发明的主要特征、基本原理以及本发明的优点。本行业技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会根据实际情况有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种四维单源γ刀焦点跟踪定位系统，该定位系统包括坐标系统（1）、三维双数字X射线透视系统（2）、位置跟踪系统（4）和数据计算中心（3），所述坐标系统（1）、三维双数字X射线透视系统（2）分别与数据计算中心（3）相连，其特征在于：所述坐标系统（1）、三维双数字X射线透视系统（2）、数据计算中心（3）均与位置跟踪系统（4）连接，所述位置跟踪系统（4）包括位置传感器（401）、位移焦点跟踪数学模型系统（402）、传感器位移数据采集分析系统（403）、中央控制器（404）和放射治疗计划系统（405），所述位置传感器（401）、位移焦点跟踪数学模型系统（402）、传感器位移数据采集分析系统（403）、放射治疗计划系统（405）均与中央控制器（404）连接，位置传感器（401）、位移焦点跟踪数学模型系统（402）、传感器位移数据采集分析系统（403）均与放射治疗计划系统（405）连接；所述位置传感器（401）为固定于胸部或腹部前正中线的体表高性能组合式MEMS位置传感器，位置传感器（401）包括陀螺仪、惯性传感器、速度传感器、角速度传感器、角度传感器、距离传感器和力觉传感器，位置传感器（401）分别与坐标系统（1）的原子钟同步授时系统（101）、三维激光定位坐标系统（103）、位移焦点跟踪三维数字坐标系统（104）连接；

所述坐标系统（1）的组件分设在位置跟踪系统（4）、三维双数字X射线透视系统（2）和智能投照系统中，坐标系统（1）包括原子钟同步授时系统（101）、骨定位坐标系统（102）、三维激光定位坐标系统（103）、位移焦点跟踪三维数字坐标系统（104）、靶特征坐标系统、靶特征坐标与定位坐标自动融合系统、机器人激光聚焦投照坐标系统，原子钟同步授时系统（101）分别与骨定位坐标系统（102）、三维激光定位坐标系统（103）、位移焦点跟踪三维数字坐标系统（104）、靶特征坐标系统、靶特征坐标与定位坐标自动融合系统、机器人激光聚焦投照坐标系统、位置传感器（401）、传感器位移数据采集分析系统（403）、数字影像接受器（2032）、影像工作站（204）相连；

所述三维双数字X射线透视系统（2）包括高压发生器（201）、C形臂框架（202）、两组透视机构（203）、影像工作站（204）、患者固定绑缚系统（205）、自动协同治疗床（206）和放疗技师操控台（207），所述高压发生器（201）、C形臂框架（202）、两组透视机构（203）、影像工作站（204）、患者固定绑缚系统（205）、自动协同治疗床（206）均与放疗技师操控台（207）连接，两组所述的透视机构（203）均安装在C形臂框架（202）上且均与高压发生器（201）相连，两组所述的透视机构（203）相互垂直设置，自动协同治疗床（206）位于两组透视机构（203）构成的环形内腔的中心位置。

2.根据权利要求1所述的一种四维单源γ刀焦点跟踪定位系统，其特征在于：所述坐标系统（1）、三维双数字X射线透视系统（2）、数据计算中心（3）分别与中央控制器（404）连接，所述坐标系统（1）、三维双数字X射线透视系统（2）、数据计算中心（3）分别与放射治疗计划系统（405）连接。

3.根据权利要求1所述的一种四维单源γ刀焦点跟踪定位系统，其特征在于：单组所述的透视机构（203）包括相对设置且相连的X射线源组装体（2031）和数字影像接受器（2032），单个所述的X射线源组装体（2031）包括X射线管球组装体、可变光野遮光器，可变光野遮光器的最大光野边界在所述数字影像接受器（2032）边沿内，所述X射线管球组装体的最高管电压为150kV，透视管电流在0.1mA-100mA之间连续可调。

4.根据权利要求1所述的一种四维单源γ刀焦点跟踪定位系统，其特征在于：所述高压发生器（201）用于为透视机构（203）的X射线源组装体（2031）提供产生X射线的管电压，所述高压发生器（201）的管电压的范围为28-150kV连续可调，其调节间隔为1kV。

5.根据权利要求1所述的一种四维单源γ刀焦点跟踪定位系统，其特征在于：所述影像工作站（204）包括影像数据处理系统、计算机系统、影像显示系统和信息输入系统，影像数据处理系统、影像显示系统、信息输入系统分别与计算机系统连接，影像显示系统、信息输入系统分别与影像数据处理系统连接，所述影像工作站（204）用于采集、储存、分析、影像数据中靶、焦点、灵敏细胞、组织、器官的性质、形态、位置的典型特征数据并加以刻画标识，用于动态影像特征数据的抓捕、跟踪，位移焦点特征数据的刻画标识。

6.根据权利要求1所述的一种四维单源γ刀焦点跟踪定位系统，其特征在于：所述自动协同治疗床（206）包括可升降的底座支架（2061）、可前后左右平移的床板集成体（2062），床板集成体（2062）由低原子序数、低密度、γ射线吸收率反射率低的材料制成。

7.根据权利要求1所述的一种四维单源γ刀焦点跟踪定位系统，其特征在于：所述患者固定绑缚系统（205）与自动协同治疗床（206）相连且相配合使用。

8.根据权利要求1所述的一种四维单源γ刀焦点跟踪定位系统，其特征在于：所述骨定位坐标系统（102）定位在患者体表，所述三维激光定位坐标系统（103）设置在自动协同治疗床（206）周围且分别与自动协同治疗床（206）、三维双数字X射线透视系统（2）、智能投照系统连接。

9.根据权利要求1所述的一种四维单源γ刀焦点跟踪定位系统，其特征在于：所述数据计算中心（3）用于获取、储存、运算各个系统的数据，分析并四维刻画组织、器官、肿瘤或病灶的形态、性质、位置特征并分类标记投照区块，智能图像分析、图像识别、图像诊断、自学习能力。

10.根据权利要求1所述的一种四维单源γ刀焦点跟踪定位系统，其特征在于：该定位系统的工作方法，包括以下步骤：

（1）、按照患者自身的骨定位坐标系统（102），利用患者固定绑缚系统（205）把患者固定绑缚在自动协同治疗床（206）上且位于三维激光定位坐标系统（103）中，特定骨坐标点定位到三维激光定位坐标系统（103）的原点附近；

（2）、设置好患者身体上的位置传感器（401），将位置传感器（401）与传感器位移数据采集分析系统（403）连接；

（3）、对患者首次点片，时间同步的两个数字影像接受器（2032）将接收到的数据融合为三维影像，刻画标识出三维坐标及其坐标原点即焦点，比对已有且被分析刻画标识的影像典型特征数据，自动协同治疗床（206）把靶的焦点移动到基准定位坐标的原点，完成靶特征坐标系统的原点即治疗的焦点与骨定位坐标系统（102）、三维激光定位坐标系统（103）的原点的自动融合；

（4）、再次点片，采集时间同步的位置传感器（401）坐标数据和焦点坐标数据，数据关联，完成四维坐标系统（1）融合；

（5）、三维双数字X射线透视系统（2）连续透视，时间覆盖平静呼吸三次、深呼吸三次、咳嗽三次，时间同步的两个数字影像接受器（2032）的动态影像数据被采集、传输、储存，拟合三维影像，分析、刻画、标识焦点，抓取焦点，提取时间同步的焦点在坐标中位移的四维典型特征数据和位置传感器（401）四维典型特征数据，关联数据，建立随呼吸或心跳位移的位移焦点跟踪数学模型；

（6）、数据计算中心（3）、放射治疗计划系统（405）综合高级放疗医师处方、患者影像特征数据、靶和焦点特征数据和位移焦点跟踪数学模型等智能制定三维空间叠加时间维度的四维激光定位非等中心适形调强跟踪聚焦照射放射治疗计划。

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